Основы палеолимнологии. Лекция-5

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Фотосинтетические пигменты в донных отложениях
Хлорофиллы:
Chl a
Chl b
Chl c
Bchl a
Bchl b
Bchl c
Bchl d
Bchl e
Зеленые растения, водоросли, цианобактерии
Пигменты
Фототрофные бактерии (кроме цианобактерий)
Бактериохлорофиллы:
Хл и Бхл относительно быстро разлагаются
в донных отложениях

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Примеры каротиноидов:
Окенон
Изорениерантин
Хлоробактин
Лютеин
Аллоксантин
C40H52O2
C40H56O2
C40H48
C41H54O2
И многие другие

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
1. Аллоксантин (С40Н52О2) – пигмент криптофитовых водорослей.
2. Лороксантин (С40Н56О3) – зеленые водоросли (Botryococcus braunii).
3. Лютеин (C40H56O2) – основной пигмент водорослей и высших растений
4. Зеаксантин(C40H56O2) – пигмент цианобактерий
5. Окенон (C41H54O2) – пурпурные серные бактерии
Выявлены методом высоко-эффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ)
В донных отложениях оз. Шира (Рогозин, Зыков и др., 2011)

Чистая культура
пурпурных серных
бактерий
Thiocapsa sp. Shira_1
Стандарт окенона,
в ацетонитриле ,
очищен методом ТСХ
Окенон
Высокоэффективная жидкостная хроматография Agilent 1200 LC/MC (США),
Из чистой культуры ПСБ был выделен специфический
каротиноид окенон и использован в качестве
стандарта при анализе донных отложений оз. Шира
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Основы палеолимнологии. Лекция-5

Хроматограмма экстрактов
Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Обнаружено коррелированное неоднородное распределение пигментов оксигенных фотосинтетиков и окенона в последние ~4500 лет. В отличие от прочих пигментов, окенон отсутствовал в некоторых слоях
Окенон
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Есть окенон
Нет окенона
Зыков В.В., Рогозин Д.Ю., Калугин И.А., Дарьин А.В., Дегерменджи А.Г. Сибирский экологический журнал, 2012, № 4, с. 585-595
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Пик окенона после
подъема уровня озера
Период
«усыхания»
озера
Максимум окенона над «белым слоем» свидетельствует о наиболее благоприятных условиях для продукции ПСБ в период поднятия уровня озера (=устойчивая меромиксия)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Мелкое голомиктическое озеро
Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Поступление пресной воды
с поверхностным стоком
При повышении уровня за счет поверхностного стока озеро становится меромиктическим…
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Основы палеолимнологии. Лекция-5

Поступление пресной воды
с поверхностным стоком
… и в нем появляются благоприятные условия для развития пурпурных серных бактерий: устойчивая редокс-зона,
высокая освещенность в редокс-зоне (пример – оз. Шунет)
Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

При дальнейшем повышении озера стратификация ослабевает,
уменьшается количество света в редокс-зоне, снижается биомасса
пурпурных серных бактерий (пример - современное оз. Шира)
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Основы палеолимнологии. Лекция-5

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Каротиноиды фототрофных серных бактерий (окенон, хлоробактин, изорениерантин) позволяют выявить
периоды присутствия сероводорода в фотической зоне водоема
Можно реконструировать историю стратификации водоема,
также его трофического статуса и т.п.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Каротиноиды оксигенных (лютеин, зеаксантин, бета-каротин и пр.) организмов позволяют выявить периоды увеличения/уменьшения фотосинтетической продукции озера,
а также соотношение планктонных групп
(зеленые/сине-зеленые)
Можно реконструировать историю трофического статуса и пр.
Пример: при эвтрофикации возрастает доля сине-зеленых водорослей
=> Увеличится отношение зеаксантин/лютеин

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
1. Биохимические палео-индикаторы в донных
отложениях
На основе анализа ДНК фототрофных
микроорганизмов можно оценить динамику их видового состава,
сравнить с современным составом =>
оценить изменения условий их обитания:
ДНК

Выявление доминирующих бактерий методом ПЦР фрагментов гена 16SрРНК
Выделение бактериальной ДНК
ПЦР с
соответствующими
(универсальными или
группо-специфичными)
праймерами
Получаем
молекулы
ДНК гена
16SрРНК
Определяем нуклеотидные последовательности
Cостав
доминирующих видов
Проба
из озера
=>
Для эукариотных микроорганизмов
используется ген 18SрРНК
Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016

Очистка методом предельных разведений
Культивирование на
жидкой среде
Окенон
Бхл а
Анализ нуклетидной последовательности гена 16рРНК
Анализ
пигментного
состава
Из оз. Шира выделен в чистую культуру и идентифицирован штамм пурпурных серных бактерий
Thiocapsa sp. Shira_1 (AJ633676) (Chromatiaceae)
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т. 79, № 2, 277-285
Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
оз. Шира

Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
Хлоробактин
Бхл d
Из обоих озер были выделены зеленые серные бактерии (ЗСБ), содержащие в качестве основных
пигментов бактериохлорофилл d и хлоробактин
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов, Д.Ю. Рогозин,
Е.А. Баринова, Н.В. Пименов Микробиология,
2007, т. 76, № 3. стр. 416-428.
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов, Е.А. Баринова, А.М.
Лысенко, Д.Ю. Рогозин, Н.В. Пименов Микробиология, 2007, т. 76, № 4. стр.
533-544.
оз. Шира
Оз. Шира – штамм ShCl03 (EF153291), близкий к Chlorobium limicola
Оз. Шунет – штамм ShNPel02 (EF149016), близкий к Prosthecochloris vibrioformis

Пространственные распределения фототрофных серных
бактерий в озере Шунет
Рогозин Д.Ю., Пименов Н.В., Косолапов Д.Б.,
Чаньковская Ю.В., Дегерменджи А.Г.
Доклады АН, 2005, т. 400, № 3, стр. 426-429.
Лунина, О.Н., Брянцева И.А., В.Н. Акимов, И.И. Русанов,
Д.Ю. Рогозин, Е.А. Баринова, Н.В. Пименов Микробиология, 2007, т. 76, № 3. стр. 416-428.

5.1
5.05
5.0
4.95
4.8
5.2
5.15
5.1
5.05
4.9
5.25
5.2
5.15
5.1
Хлоропласты криптомонад
Thiocapsa sp. Shira_1
Май
Июль
Сентябрь
оз.Шира
июль
Глубина, м
Synechococcous
Halomonas
неидентифицировано
Методом ПЦР-ДГГЭ показано, что в обоих озерах доминируют ПСБ Thiocapsa sp. Shira_1
Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т. 79, № 2, 277-285

Хлоропласты криптомонад
Дельта-протеобактерии
Зеленые серные бактерии
неидентифицировано
Synechococcous
Pseudoalteromonas
Halomonas
4.8
5.0
5.05
5.1
0
4
5.1
5.15
5.2
5.1
5.15
5.2
5.25
Май
оз.Шира
июль
Июль
Сентябрь
5.05
4.95
Глубина, м
В оз. Шира ЗСБ являются минорной группой
В оз. Шунет ЗСБ достигают максимума глубже ПСБ
Характеристика состава фототрофных серных
бактерий в озерах Шира и Шунет методом ПЦР-ДГГЭ
Рогозин Д.Ю., Трусова М.Ю., Хромечек Е.Б., Дегерменджи. Микробиология, 2010, Т. 79, № 2, 277-285

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Соотношение пурпурных серных бактерий (ПСБ)
и зеленых серных бактерий (ЗСБ) может свидетельствовать об изменении
глубины хемоклина: ЗСБ более тенелюбивы,
устойчивости меромиксии : ПСБ более толерантны к кислороду
Например:
В общем случае интерпретировать сложно, необходимо учитывать
особенности экологии бактерий в каждом водоеме!
ДНК гетеротрофных бактерий интерпретировать сложно, т.к. их возраст
может не соответствовать возрасту отложений!

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Липиды
Длинноцепочечные алкеноны: липиды С36 – С42 Me- и Et – метил- и этил-кетоны
Продуценты – гаптофитовые водоросли (Haptophyta)
Показано, что степень насыщенности С37 – алкенонов зависит от средней температуры воды, при которой они синтезировались
В океане это два космополитичных вида
Emiliania huxleyi и Gephyrocapsa oceanica
В солоноватых и соленых озерах это много видов семейства
Isochrysidaceae, поэтому затруднена интерпретация («species effect»),
В пресных – меньше видов, поэтому интерпретация надежнее

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Липиды в донных отложениях
Показано, что степень ненасыщенности С37 – алкенонов зависит от средней температуры воды, при которой они синтезировались
U37K индекс ненасыщенности, коррелирует с SST (sea surface temperature) (Longo et al., 2013)
Анализ методом газовой хроматографии
с масс-спектрометрическим детектором (GC-MS)

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Липиды в донных отложениях
Существуют липиды С25 продуцируемые морскими подледными диатомовыми. Эти липиды являются индикаторами ледовой обстановки (IP25 – ice proxy)

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнитные свойства донных отложений
Профиль магнитной восприимчивости используется для сопоставления
разных кернов
В донных отложениях содержатся минералы,
обладающие магнитными свойствами
Low frequency magnetic susceptibility (магнитная восприимчивость,
XLF)
Остаточные намагниченности:
Natural remanent magnetization (NRM)
Saturation isothermal remanent magnetization (SIRM)
Isothermal remanent magnetization (IRM)
Anhisteric remanent magnetization (ARM)

S = IRM/SIRM – отражает структуру магнитных частиц
Q = NRM/(XLF×H), где H – магнитное поле Земли
Q < 1 – детритное (биогенное) происхождение
Q > 1 – хемогенное происхождение
XLF/SIRM – отражает размер магнитных частиц

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнитные свойства донных отложений
Биогенный магнетит– однодоменные частицы размером около 50 нм
Происхождение магнетита Fe3O4 может быть как чисто геологическим
(если горные породы в водосборном бассейне содержат магнетит),
так и биогенным
Продуцентами биогенного магнетита в отложениях являются
магнитотактические бактерии, синтезирующие однодоменные
наноразмерные частицы магнетита в составе внутриклеточных
включений – магнитосом.

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнитотактические бактерии
Blakemore, R. P. Magnetotactic bacteria. Science 190,
377–379 (1975). – первое описание магнитотаксиса у бактерий
Гетерогенная группа, не имеющая общего таксономического положения
Общее:
Клетки грам-отрицательные Bacteria, подвижные, передвигаются
с помощью жгутиков,
Облигатные микроаэрофилы или анаэробы
(=требуются малые концентрации кислорода)

Плотность, г/л
Глубина
Сероводород
O2
Н2S
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Населяют редокс-зону (oxic-anoxic interface)
стратифицированных водоемов
Основы палеолимнологии. Лекция-5

Chemical stratification of Shira Lake water column
in July 2002
O2
H2S
Chemocline
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Основы палеолимнологии. Лекция-5

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнитные свойства донных отложений
Биогенный магнетит– однодоменные частицы размером около 50 нм
Продуцентами биогенного магнетита в отложениях являются
магнитотактические бактерии, синтезирующие однодоменные
наноразмерные частицы магнетита в составе внутриклеточных
включений – магнитосом.
50 нм
Bazylinski, Frankel, 2004

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнитное поле Земли
http://yandex.ru

Основы палеолимнологии. Лекция-5
Сибирский Федеральный Университет
Рогозин Д.Ю.
г. Красноярск, 2016
Магнито-аэротаксис
Северное полушарие
Южное полушарие
Магнитное поле Земли
Магнитное поле Земли
Bazylinski, Frankel, 2004
O2
H2S
O2
H2S
Редокс-зона
Магнитосома
= магнитный диполь